一种可逆热泵/ORC的集热式储电系统及运行方法

一种可逆热泵/orc的集热式储电系统及运行方法
技术领域
1.本发明涉及能量存储技术领域，具体涉及一种可逆热泵/orc的集热式储电系统及运行方法。


背景技术：

2.可再生能源具有强烈的间歇性与波动性，难以有效匹配用户的用能需求，给电网带稳定运行带来了艰巨的挑战。
3.通过削峰填谷的方式，储电技术能有效抑制电网波动，能有效提高区域能源系统效率和安全性，增强可再生能源的消纳水平。目前，已有的储电技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能技术，但是这两种储能技术均受到地理因素的限制而不能灵活应用。热泵储电技术是基于动力循环和热能储存技术发展出来一种新的电能存储技术，具有不受地理条件限制、储能周期长等优点。但是，已有技术方案往往存在储电往返效率较低、系统结构复杂、系统不可逆损失较大等问题。因此，如何进一步提升热泵储电技术的整体性能，已成为一个亟待解决的技术问题。
4.工业生产中存在大量的低温余热资源，将这些余热资源作为热泵循环的外来热源，能进一步提升热泵的储能温度。同时，有机朗肯循环是一种有效的低温余热发电技术，且其系统布置及设备结构与蒸汽压缩热泵循环十分相似。因此，将低温余热资源、有机朗肯循环及热泵循环集成起来，不仅可以有效利用工业中的低温废热，而且可以减少热泵储电系统的部件数量，降低系统投资成本及复杂程度。
5.蒸汽压缩热泵循环与有机朗肯循环的工质在放热及吸热过程中，都存在相变传热过程，由于工质与储热介质之间存在较大的温度不匹配，会产生较大的不可逆损失。相变蓄热在储能及释能过程都呈现等温特性，可以与工质相变放热及吸热过程实现良好的温度匹配，提升系统热力性能。因此，在热泵储电系统中设置相变储能单元，不仅有助于提升系统单位体积储能量，还有助于降低储能及释能过程的不可逆损失。


技术实现要素：

6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种成本低、往返效率高及不可逆损失低的可逆热泵/orc的集热式储电系统及运行方法。
7.本发明解决上述问题的技术方案是：一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，该系统主要包括热泵循环模块、有机朗肯循环(orc)模块、储能模块、热集成及冷却模块；
8.所述热泵循环模块包括压缩/膨胀机(1)、高温换热器(2)、低温换热器(3)、热力膨胀阀(4)、蒸发/冷凝器(5)与第3调节阀(23)；所述压缩/膨胀机(1)出口通过管路(101)与所述高温换热器(2)入口相连，所述高温换热器(2)出口通过管路(102)与所述低温换热器(3)工质侧入口相连，所述低温换热器(3)工质侧出口依次与管路103、所述第3调节阀(23)、管路(104)及所述热力膨胀阀(4)入口相连，所述热力膨胀阀(4)出口通过管路(105)、管路(106)与所述蒸发/冷凝器(5)工质侧入口相连，所述蒸发/冷凝器(5)工质侧出口通过管路
(107)与所述压缩/膨胀机(1)入口相连；
9.所述有机朗肯循环模块中，工质泵(9)出口依次与第4调节阀(24)及管路(115)相连后，再与热泵循环模块中的管路(103)相连；所述工质泵(9)入口与管路(116)相连后，再与热泵循环模块中的管路(106)相连；工质经所述工质泵(9)加压后，通过管路(115)依次流经管路(103)、所述低温换热器(3)、管路(102)、所述高温换热器(2)、管路(101)、所述压缩/膨胀机(1)、管路(107)、所述蒸发/冷凝器(5)及管路(106)，最后经管路(116)返回所述工质泵；
10.所述储能模块包括显热储能与潜热储能，在潜热储能中，所述高温换热器(2)中填充相变材料，通过潜热方式储存或释放与高温工质换热所得的高温热量；显热模块中，空气压缩机(8)通过管路(112)与第iii三通换向阀(13)的第一接口相连，所述第iii三通换向阀(13)的第二接口与第三接口分别与管路(111)与管路(113)相连，管路(113)与低温储罐(7)顶部中心接口相连，所述低温储罐(7)顶部侧接口依次与管路(114)及第2调节阀(22)相连，所述低温储罐(7)底部接口依次与管路(109)、所述低温换热器(3)储热介质侧入口相连，所述低温换热器(3)储热介质侧出口依次与管路(108)、高温储罐(6)底部接口相连，所述高温储罐(6)顶部中心接口与管路(111)相连，侧部接口依次与管路(110)及第1调节阀(21)相连；
11.所述热集成及冷却模块中，第ii三通换向阀(12)的第二接口与第三接口分别与管路(117)、管路(122)相连，所述第ii三通换向阀(12)的第一接口依次与管路(118)、所述蒸发/冷凝器(5)热源侧入口相连，所述蒸发/冷凝器(5)热源侧出口依次与管路(119)、第i三通换向阀(11)第一接口相连，所述第i三通换向阀(11)的第二接口与第三接口分别与管路(120)、管路(121)相连；所述管路(117)设置旁通管路(123)及第5调节阀(25)；管路(117)、管路(120)、管路(123)为低温余热通道，管路(121)、管路(122)为冷却水管路。
12.上述一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，所述高温换热器(2)中填充nano
3-lino
3-kno3组成的中温无机相变材料，并通过改变三者的质量百分比得到不同相变温度的储能材料；所述高温储罐(6)与所述低温储罐(7)采用水为储热介质；在储热与放热过程中，储热介质的工作压力由所述空气压缩机(8)产生的高压气体控制，并在高压气体驱动下进入所述低温换热器(3)中进行热交换。
13.上述一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，所述工质泵(9)与所述热力膨胀阀(4)为并联连接方式，且所述热力膨胀阀(4)只在储能过程中运行，而所述工质泵(9)只在释能过程中运行，两个支路的开闭通过所述第3调节阀(23)及所述第4调节阀(24)控制。
14.上述一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，所述压缩/膨胀机(1)、所述高温换热器(2)、所述低温换热器(3)与所述蒸发/冷凝器(5)在热泵循环模块与有机朗肯循环模块中重复利用，但功能不同；在热泵循环中，所述压缩/膨胀机(1)起压缩功能，即将低压过热蒸汽压缩为高压过热蒸汽，所述高温换热器(2)与所述低温换热器(3)用于储存热量，所述蒸发/冷凝器(5)作为加热器，即利用低温余热将低压两相工质加热为低压过热蒸汽；有机朗肯循环中，所述高温换热器(2)与所述低温换热器(3)用于吸收系统储存的热量，并产生高温高压的过热蒸汽，所述压缩/膨胀机(1)作为膨胀机，即高温高压的过热蒸汽膨胀产生电能，所述蒸发/冷凝器(5)起冷凝功能，即将膨胀后的过热蒸汽冷凝为饱和液体。
15.上述一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，所所述热泵循环与有机朗肯循环都使
用低沸点有机纯工质为传热介质，工质在储热与释热过程中的流动方向相反，且在所述低温换热器(3)中通过单相换热吸收或释放热量，在所述高温换热器(2)主要通过相变换热释放或吸收热量。
16.上述一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，所述热集成及冷却模块中，低温余热可以为温度低于150℃的工业废气，也可以为温度低于100℃的低温废水或导热油，且所述蒸发/冷凝器(5)可以通过调节第i三通换向阀(11)、第ii三通换向阀(12)及第5调节阀(25)实现加热与冷却方式的切换。
17.基于上述可逆热泵/orc的集热式储电系统，提供一种系统运行方法，该运行方法包括如下几种运行模式：
18.(a)储热运行模式：在用电低谷时，关闭第5调节阀(25)，使旁通管路(123)断开；调节所述第ii三通换向阀(12)，使管路(122)断开，调节所述第i三通换向阀(11)，使管路(121)断开，低温余热经管路(117)与管路(118)后，流经所述蒸发/冷凝器(5)，再通过管路(119)与管路(120)排走；低温低压的两相工质在所述蒸发/冷凝器(5)中与低温余热进行热交换，变成低温过热蒸汽，经管路(107)进入所述压缩/膨胀机(1)，并利用电网富余的低价电能将低温低压蒸汽压缩为高温高压的过热蒸汽，然后经管路(101)进入所述高温换热器(2)，将工质过热段显热与潜热存储在中温无机相变材料中；放热后的工质经管路(102)进入所述低温换热器(3)，将部分显热释放给储热介质，然后过冷工质经管路(103)、所述第3调节阀(23)与管路(104)，再流经所述热力膨胀阀(4)节流降温变成低温低压的两相流体，最后经管路(105)与管路(106)进入所述蒸发/冷凝器(5)，此时所述第4调节阀(24)关闭，管路(115)与管路(116)呈断开状态；显热储存过程中，打开管路(110)上的第1调节阀(21)，关闭管路(114)上的第2调节阀(22)，调节所述第iii三通换向阀(13)，使管路(111)断开；空气被所述空气压缩机(8)压缩后，高压空气经管路(112)与管路(113)进入所述低温储罐(7)，驱动低温储热介质进入所述低温换热器(3)中吸热，吸热后的高温储热介质储存在所述高温储罐(6)中，且所述高温储罐(6)中的气体超过设定压力后经管路(110)排入环境。
19.(b)释热发电运行模式：在用电高峰时，所述工质泵(9)开始运行，将管路(116)中的低温低压工质加压，然后经管路(115)与管路(103)进入所述低温换热器(3)中吸收储热介质的显热，再经管路(102)进入所述高温换热器(2)中，进一步吸收相变材料的潜热变为高温高压的过热蒸汽；然后，过热蒸汽经管路(101)进入所述压缩/膨胀机(1)做功，往外界输出电能，膨胀后的低温低压蒸汽经管路(107)进入所述蒸发/冷凝器(5)中，并被冷却水冷凝为饱和液体，最后经管路(106)及管路(116)返回所述工质泵；运行过程中，所述第3调节阀(23)关闭，管路(105)与管路(104)处于断开状态；显热释放过程中，关闭管路(110)上的第1调节阀(21)，打开管路(114)上的第2调节阀(22)，调节所述第iii三通换向阀(13)，使管路(113)断开；空气被所述空气压缩机(8)压缩后，高压空气经管路(112)与管路(111)进入所述高温储罐(6)，驱动高温储热介质进入所述低温换热器(3)中放热，放热后的低温储热介质储存在所述低温储罐(7)中，且所述低温储罐(7)中的气体超过设定压力后经管路(114)排入环境；打开第5调节阀(25)，使低温余热经旁通管路(123)排走；调节所述第ii三通换向阀(12)，使管路(117)断开，调节所述第i三通换向阀(11)，使管路(120)断开，冷却水经管路(121)与管路(119)后，流经所述蒸发/冷凝器(5)，再通过管路(118)与管路(122)排走。
20.(c)停机运行模式：当电网负荷与用户用电负荷匹配或设备检修时，可逆热泵/orc的集热式储电系统处于停机状态，此时打开第5调节阀(25)，使低温余热经旁通管路(122)直接排走，整个储电系统不消耗电网电能，也不向外界输出电能。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、本发明针对常规热泵储电系统存在往返效率较低这一问题，将工业废弃的低温余热集成到热泵储能系统，利用低温余热提升热泵循环储能的总量与品位，有效提升储电系统的往返效率。
23.2、本发明根据有机朗肯循环与蒸汽压缩热泵循环具有相似结构布置的特点，使有机朗肯循环重复利用热泵循环中的主要部件，显著减少了储电系统的设备数量，降低了系统的投资成本及复杂程度。
24.3、本发明采用显热储能与潜热储能相结合的方式，可以提升循环工质与储热介质传热过程的温度匹配度，降低传热过程的不可逆损失，增强储电系统的热力性能。
附图说明
25.图1为本发明可逆热泵/orc的集热式储电系统示意图，其中，1为压缩/膨胀机，2为高温换热器，3为低温换热器，4为热力膨胀阀，5为蒸发/冷凝器，6为高温储罐，7为低温储罐，8为空气压缩机，9为工质泵，11为第i三通换向阀，12为第ii三通换向阀，13为第iii三通换向阀，21为第1调节阀，22为第2调节阀，23为第3调节阀，24为第4调节阀，25为第5调节阀，101～123为系统管路。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
27.如图1所示，本发明一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，主要包括热泵循环模块、有机朗肯循环模块、储能模块、热集成及冷却模块；包括以下步骤：
28.所述热泵循环模块包括压缩/膨胀机(1)、高温换热器(2)、低温换热器(3)、热力膨胀阀(4)、蒸发/冷凝器(5)与第3调节阀(23)；所述压缩/膨胀机(1)出口通过管路(101)与所述高温换热器(2)入口相连，所述高温换热器(2)出口通过管路(102)与所述低温换热器(3)工质侧入口相连，所述低温换热器(3)工质侧出口依次与管路103、所述第3调节阀(23)、管路(104)及所述热力膨胀阀(4)入口相连，所述热力膨胀阀(4)出口通过管路(105)、管路(106)与所述蒸发/冷凝器(5)工质侧入口相连，所述蒸发/冷凝器(5)工质侧出口通过管路(107)与所述压缩/膨胀机(1)入口相连；
29.所述有机朗肯循环模块中，工质泵(9)出口依次与第4调节阀(24)及管路(115)相连后，再与热泵循环模块中的管路(103)相连；所述工质泵(9)入口与管路(116)相连后，再与热泵循环模块中的管路(106)相连；工质经所述工质泵(9)加压后，通过管路(115)依次流经管路(103)、所述低温换热器(3)、管路(102)、所述高温换热器(2)、管路(101)、所述压缩/膨胀机(1)、管路(107)、所述蒸发/冷凝器(5)及管路(106)，最后经管路(116)返回所述工质泵；
30.所述储能模块包括显热储能与潜热储能，在潜热储能中，所述高温换热器(2)中填充相变材料，通过潜热方式储存或释放与高温工质换热所得的高温热量；显热模块中，空气
压缩机(8)通过管路(112)与第iii三通换向阀(13)的第一接口相连，所述第iii三通换向阀(13)的第二接口与第三接口分别与管路(111)与管路(113)相连，管路(113)与低温储罐(7)顶部中心接口相连，所述低温储罐(7)顶部侧接口依次与管路(114)及第2调节阀(22)相连，所述低温储罐(7)底部接口依次与管路(109)、所述低温换热器(3)储热介质侧入口相连，所述低温换热器(3)储热介质侧出口依次与管路(108)、高温储罐(6)底部接口相连，所述高温储罐(6)顶部中心接口与管路(111)相连，侧部接口依次与管路(110)及第1调节阀(21)相连；
31.所述热集成及冷却模块中，第ii三通换向阀(12)的第二接口与第三接口分别与管路(117)、管路(122)相连，所述第ii三通换向阀(12)的第一接口依次与管路(118)、所述蒸发/冷凝器(5)热源侧入口相连，所述蒸发/冷凝器(5)热源侧出口依次与管路(119)、第i三通换向阀(11)第一接口相连，所述第i三通换向阀(11)的第二接口与第三接口分别与管路(120)、管路(121)相连；所述管路(117)设置旁通管路(123)及第5调节阀(25)；管路(117)、管路(120)、管路(123)为低温余热通道，管路(121)、管路(122)为冷却水管路。
32.所述高温换热器(2)中填充nano
3-lino
3-kno3组成的中温无机相变材料，并通过改变三者的质量百分比得到不同相变温度的储能材料；所述高温储罐(6)与所述低温储罐(7)采用水为储热介质；在储热与放热过程中，储热介质的工作压力由所述空气压缩机(8)产生的高压气体控制，并在高压气体驱动下进入所述低温换热器(3)中进行热交换。
33.所述工质泵(9)与所述热力膨胀阀(4)为并联连接方式，且所述热力膨胀阀(4)只在储能过程中运行，而所述工质泵(9)只在释能过程中运行，两个支路的开闭通过所述第3调节阀(23)及所述第4调节阀(24)控制。
34.所述压缩/膨胀机(1)、所述高温换热器(2)、所述低温换热器(3)与所述蒸发/冷凝器(5)在热泵循环模块与有机朗肯循环模块中重复利用，但功能不同；在热泵循环中，所述压缩/膨胀机(1)起压缩功能，即将低压过热蒸汽压缩为高压过热蒸汽，所述高温换热器(2)与所述低温换热器(3)用于储存热量，所述蒸发/冷凝器(5)作为加热器，即利用低温余热将低压两相工质加热为低压过热蒸汽；有机朗肯循环中，所述高温换热器(2)与所述低温换热器(3)用于吸收系统储存的热量，并产生高温高压的过热蒸汽，所述压缩/膨胀机(1)作为膨胀机，即高温高压的过热蒸汽膨胀产生电能，所述蒸发/冷凝器(5)起冷凝功能，即将膨胀后的过热蒸汽冷凝为饱和液体。
35.所述热泵循环与有机朗肯循环都使用低沸点有机纯工质为传热介质，工质在储热与释热过程中的流动方向相反，且在所述低温换热器(3)中通过单相换热吸收或释放热量，在所述高温换热器(2)主要通过相变换热释放或吸收热量。
36.所述热集成及冷却模块中，低温余热可以为温度低于150℃的工业废气，也可以为温度低于100℃的低温废水或导热油，且所述蒸发/冷凝器(5)可以通过调节第i三通换向阀(11)、第ii三通换向阀(12)及第5调节阀(25)实现加热与冷却方式的切换。
37.所述运行方法包括如下几种运行模式：
38.(a)储热运行模式：在用电低谷时，关闭第5调节阀(25)，使旁通管路(123)断开；调节所述第ii三通换向阀(12)，使管路(122)断开，调节所述第i三通换向阀(11)，使管路(121)断开，低温余热经管路(117)与管路(118)后，流经所述蒸发/冷凝器(5)，再通过管路(119)与管路(120)排走；低温低压的两相工质在所述蒸发/冷凝器(5)中与低温余热进行热
交换，变成低温过热蒸汽，经管路(107)进入所述压缩/膨胀机(1)，并利用电网富余的低价电能将低温低压蒸汽压缩为高温高压的过热蒸汽，然后经管路(101)进入所述高温换热器(2)，将工质过热段显热与潜热存储在中温无机相变材料中；放热后的工质经管路(102)进入所述低温换热器(3)，将部分显热释放给储热介质，然后过冷工质经管路(103)、所述第3调节阀(23)与管路(104)，再流经所述热力膨胀阀(4)节流降温变成低温低压的两相流体，最后经管路(105)与管路(106)进入所述蒸发/冷凝器(5)，此时所述第4调节阀(24)关闭，管路(115)与管路(116)呈断开状态；显热储存过程中，打开管路(110)上的第1调节阀(21)，关闭管路(114)上的第2调节阀(22)，调节所述第iii三通换向阀(13)，使管路(111)断开；空气被所述空气压缩机(8)压缩后，高压空气经管路(112)与管路(113)进入所述低温储罐(7)，驱动低温储热介质进入所述低温换热器(3)中吸热，吸热后的高温储热介质储存在所述高温储罐(6)中，且所述高温储罐(6)中的气体超过设定压力后经管路(110)排入环境。
39.(b)释热发电运行模式：在用电高峰时，所述工质泵(9)开始运行，将管路(116)中的低温低压工质加压，然后经管路(115)与管路(103)进入所述低温换热器(3)中吸收储热介质的显热，再经管路(102)进入所述高温换热器(2)中，进一步吸收相变材料的潜热变为高温高压的过热蒸汽；然后，过热蒸汽经管路(101)进入所述压缩/膨胀机(1)做功，往外界输出电能，膨胀后的低温低压蒸汽经管路(107)进入所述蒸发/冷凝器(5)中，并被冷却水冷凝为饱和液体，最后经管路(106)及管路(116)返回所述工质泵；运行过程中，所述第3调节阀(23)关闭，管路(105)与管路(104)处于断开状态；显热释放过程中，关闭管路(110)上的第1调节阀(21)，打开管路(114)上的第2调节阀(22)，调节所述第iii三通换向阀(13)，使管路(113)断开；空气被所述空气压缩机(8)压缩后，高压空气经管路(112)与管路(111)进入所述高温储罐(6)，驱动高温储热介质进入所述低温换热器(3)中放热，放热后的低温储热介质储存在所述低温储罐(7)中，且所述低温储罐(7)中的气体超过设定压力后经管路(114)排入环境；打开第5调节阀(25)，使低温余热经旁通管路(123)排走；调节所述第ii三通换向阀(12)，使管路(117)断开，调节所述第i三通换向阀(11)，使管路(120)断开，冷却水经管路(121)与管路(119)后，流经所述蒸发/冷凝器(5)，再通过管路(118)与管路(122)排走。
40.(c)停机运行模式：当电网负荷与用户用电负荷匹配或设备检修时，可逆热泵/orc的集热式储电系统处于停机状态，此时打开第5调节阀(25)，使低温余热经旁通管路(122)直接排走，整个储电系统不消耗电网电能，也不向外界输出电能。
41.实施例：
42.某可逆热泵/orc的集热式储电系统以r1233zd(e)为循环工质，低温显热采用水为储热介质，高温热量以nano
3-lino
3-kno3为相变储能材料，其相变温度为130℃，系统在储热过程中利用某钢铁厂75℃高炉冲渣水的余热，假定该地区23:00～24:00及0:00～7:00时间段为用电低谷，上午8:00～21:00为用电高峰期，其余时段用电量与发电量持平。
43.在用电低谷时，如图1所示，工作压力为2.5mpa的r1233zd(e)经所述热力膨胀阀后(4)降压至0.35mpa后，变为56℃的气液两相流体，再进入所述蒸发/冷凝器(5)中吸收冲渣水的余热；所述压缩/膨胀机(1)利用低谷时期的低价电能，将从所述蒸发/冷凝器(5)流出的70℃的过热蒸汽进一步压缩，变成压力为2.5mpa温度为150℃的高压过热蒸汽，过热蒸汽进入所述高温换热器(2)，将工质过热与潜热部分热量存储在相变温度为130℃的材料中；
在所述高温换热器(2)换热后，温度降低至145℃的工质进一步流入所述低温换热器(3)中，与所述低温储罐(7)中流过来的低温水进行换热，工质温度进一步降低为75℃；工质换热后，经过所述第3调节阀(4)进入所述热力膨胀阀(4)节流降压，开始下一个循环。该过程中，低温冲渣水通过管路(117)、所述第ii三通换向阀(12)第二接口及第一接口、管路(118)进入所述蒸发/冷凝器(5)，再经管路(119)、所述第i三通换向阀(11)第一接口与第三接口、管路(120)流出；空气经所述空气压缩机(8)驱动，经管路(112)、所述第iii三通换向阀(13)第一接口及第三接口、管路(113)进入所述低温储罐(7)，驱动所述低温储罐(7)中温度为60℃的水经管路(109)进入所述低温换热器(3)与r1233zd(e)换热，水升温至130℃后流出所述低温换热器(3)，经管路(108)进入所述高温储罐(6)，所述高温储罐(6)中压力超过0.3mpa后，多余气体通过管路(110)及所述第1调节阀(21)排入环境。
44.在用电高峰时，如图1所示，工作压力为0.2mpa的r1233zd(e)经所述工质泵(9)增压至1.55mpa后，进入所述低温换热器(3)中与所述高温储罐(6)流出的130℃高温水进行换热，工质吸热后变为119℃的饱和液体，然后进入所述高温换热器(2)中进一步吸收相变材料中的高温热量，变为123℃的过热蒸汽；接下来，过热蒸汽通过所述压缩/膨胀机(1)膨胀做功，向外界输出电能；工质膨胀后，压力降低至0.2mpa、温度降低到58℃，低温低压蒸汽进入所述蒸发/冷凝器(5)后被冷却水冷凝为饱和液体，再进入所述工质泵(9)开始下一个循环；该过程中，冷却水通过管路(121)、所述第i三通换向阀(11)第二接口及第一接口、管路(119)进入所述蒸发/冷凝器(5)，再经管路(118)、所述第ii三通换向阀(12)第一接口与第三接口、管路(122)流出，低温冲渣水经管路(117)、旁通管路(123)及第5调节阀(25)排走；空气经所述空气压缩机(8)驱动，经管路(112)、所述第iii三通换向阀(13)第一接口及第二接口、管路(111)进入所述高温储罐(6)，驱动所述高温储罐(6)中温度为130℃的水经管路(108)进入所述低温换热器(3)向r1233zd(e)放热，水升降低至60℃后流出所述低温换热器(3)，经管路(109)进入所述低温储罐(7)，所述低温储罐(7)中压力超过0.3mpa后，多余气体通过管路(114)及所述第2调节阀(22)排入环境。
45.在用电平缓时段，打开第5调节阀(25)，使低温冲渣水经旁通管路(122)直接排走，冷却水也不进入储电系统，储电系统处于停机状态。
46.本实施例提供的可逆热泵/orc的集热式储电系统及运行方法，针对已有热泵系统存在系统结构复杂、投资成本高、往返效率低等问题，将难以利用的低温余热资源与热泵储电系统集成在一起，并使热泵循环与有机朗肯循环共用相似部件，提升热泵循环部件的利用效率；此外，利用显热储能与潜热储能相结合的方式，降低储能与释能过程的不可逆损失。这种系统结构简单、往返效率高、投资费用低及不可逆损失少，运行方法简单可靠。

技术特征：
1.一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，其特征在于，该系统主要包括热泵循环模块、有机朗肯循环模块、储能模块、热集成及冷却模块；所述热泵循环模块包括压缩/膨胀机(1)、高温换热器(2)、低温换热器(3)、热力膨胀阀(4)、蒸发/冷凝器(5)与第3调节阀(23)；所述压缩/膨胀机(1)出口通过管路(101)与所述高温换热器(2)入口相连，所述高温换热器(2)出口通过管路(102)与所述低温换热器(3)工质侧入口相连，所述低温换热器(3)工质侧出口依次与管路103、所述第3调节阀(23)、管路(104)及所述热力膨胀阀(4)入口相连，所述热力膨胀阀(4)出口通过管路(105)、管路(106)与所述蒸发/冷凝器(5)工质侧入口相连，所述蒸发/冷凝器(5)工质侧出口通过管路(107)与所述压缩/膨胀机(1)入口相连；所述有机朗肯循环模块中，工质泵(9)出口依次与第4调节阀(24)及管路(115)相连后，再与热泵循环模块中的管路(103)相连；所述工质泵(9)入口与管路(116)相连后，再与热泵循环模块中的管路(106)相连；工质经所述工质泵(9)加压后，通过管路(115)依次流经管路(103)、所述低温换热器(3)、管路(102)、所述高温换热器(2)、管路(101)、所述压缩/膨胀机(1)、管路(107)、所述蒸发/冷凝器(5)及管路(106)，最后经管路(116)返回所述工质泵；所述储能模块包括显热储能与潜热储能，在潜热储能中，所述高温换热器(2)中填充相变材料，通过潜热方式储存或释放与高温工质换热所得的高温热量；显热模块中，空气压缩机(8)通过管路(112)与第iii三通换向阀(13)的第一接口相连，所述第iii三通换向阀(13)的第二接口与第三接口分别与管路(111)与管路(113)相连，管路(113)与低温储罐(7)顶部中心接口相连，所述低温储罐(7)顶部侧接口依次与管路(114)及第2调节阀(22)相连，所述低温储罐(7)底部接口依次与管路(109)、所述低温换热器(3)储热介质侧入口相连，所述低温换热器(3)储热介质侧出口依次与管路(108)、高温储罐(6)底部接口相连，所述高温储罐(6)顶部中心接口与管路(111)相连，侧部接口依次与管路(110)及第1调节阀(21)相连；所述热集成及冷却模块中，第ii三通换向阀(12)的第二接口与第三接口分别与管路(117)、管路(122)相连，所述第ii三通换向阀(12)的第一接口依次与管路(118)、所述蒸发/冷凝器(5)热源侧入口相连，所述蒸发/冷凝器(5)热源侧出口依次与管路(119)、第i三通换向阀(11)第一接口相连，所述第i三通换向阀(11)的第二接口与第三接口分别与管路(120)、管路(121)相连；所述管路(117)设置旁通管路(123)及第5调节阀(25)；管路(117)、管路(120)、管路(123)为低温余热通道，管路(121)、管路(122)为冷却水管路。2.如权利要求1所述的一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，其特征在于，所述高温换热器(2)中填充nano
3-lino
3-kno3组成的中温无机相变材料，并通过改变三者的质量百分比得到不同相变温度的储能材料；所述高温储罐(6)与所述低温储罐(7)采用水为储热介质；在储热与放热过程中，储热介质的工作压力由所述空气压缩机(8)产生的高压气体控制，并在高压气体驱动下进入所述低温换热器(3)中进行热交换。3.如权利要求1所述的一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，其特征在于，所述工质泵(9)与所述热力膨胀阀(4)为并联连接方式，且所述热力膨胀阀(4)只在储能过程中运行，而所述工质泵(9)只在释能过程中运行，两个支路的开闭通过所述第3调节阀(23)及所述第4调节阀(24)控制。4.如权利要求1所述的一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，其特征在于，所述压缩/膨胀机(1)、所述高温换热器(2)、所述低温换热器(3)与所述蒸发/冷凝器(5)在热泵循环模
块与有机朗肯循环模块中重复利用，但功能不同；在热泵循环中，所述压缩/膨胀机(1)起压缩功能，即将低压过热蒸汽压缩为高压过热蒸汽，所述高温换热器(2)与所述低温换热器(3)用于储存热量，所述蒸发/冷凝器(5)作为加热器，即利用低温余热将低压两相工质加热为低压过热蒸汽；有机朗肯循环中，所述高温换热器(2)与所述低温换热器(3)用于吸收系统储存的热量，并产生高温高压的过热蒸汽，所述压缩/膨胀机(1)作为膨胀机，即高温高压的过热蒸汽膨胀产生电能，所述蒸发/冷凝器(5)起冷凝功能，即将膨胀后的过热蒸汽冷凝为饱和液体。5.如权利要求1所述的一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，其特征在于，所述热泵循环与有机朗肯循环都使用低沸点有机纯工质为传热介质，工质在储热与释热过程中的流动方向相反，且在所述低温换热器(3)中通过单相换热吸收或释放热量，在所述高温换热器(2)主要通过相变换热释放或吸收热量。6.如权利要求1所述的一种可逆热泵/orc的集热式储电系统，其特征在于，所述热集成及冷却模块中，低温余热可以为温度低于150℃的工业废气，也可以为温度低于100℃的低温废水或导热油，且所述蒸发/冷凝器(5)可以通过调节第i三通换向阀(11)、第ii三通换向阀(12)及第5调节阀(25)实现加热与冷却方式的切换。7.基于权利要求1所述可逆热泵/orc的集热式储电系统的运行方法，其特征在于，该运行方法包括如下几种运行模式：(a)储热运行模式：在用电低谷时，关闭第5调节阀(25)，使旁通管路(123)断开；调节所述第ii三通换向阀(12)，使管路(122)断开，调节所述第i三通换向阀(11)，使管路(121)断开，低温余热经管路(117)与管路(118)后，流经所述蒸发/冷凝器(5)，再通过管路(119)与管路(120)排走；低温低压的两相工质在所述蒸发/冷凝器(5)中与低温余热进行热交换，变成低温过热蒸汽，经管路(107)进入所述压缩/膨胀机(1)，并利用电网富余的低价电能将低温低压蒸汽压缩为高温高压的过热蒸汽，然后经管路(101)进入所述高温换热器(2)，将工质过热段显热与潜热存储在中温无机相变材料中；放热后的工质经管路(102)进入所述低温换热器(3)，将部分显热释放给储热介质，然后过冷工质经管路(103)、所述第3调节阀(23)与管路(104)，再流经所述热力膨胀阀(4)节流降温变成低温低压的两相流体，最后经管路(105)与管路(106)进入所述蒸发/冷凝器(5)，此时所述第4调节阀(24)关闭，管路(115)与管路(116)呈断开状态；显热储存过程中，打开管路(110)上的第1调节阀(21)，关闭管路(114)上的第2调节阀(22)，调节所述第iii三通换向阀(13)，使管路(111)断开；空气被所述空气压缩机(8)压缩后，高压空气经管路(112)与管路(113)进入所述低温储罐(7)，驱动低温储热介质进入所述低温换热器(3)中吸热，吸热后的高温储热介质储存在所述高温储罐(6)中，且所述高温储罐(6)中的气体超过设定压力后经管路(110)排入环境；(b)释热发电运行模式：在用电高峰时，所述工质泵(9)开始运行，将管路(116)中的低温低压工质加压，然后经管路(115)与管路(103)进入所述低温换热器(3)中吸收储热介质的显热，再经管路(102)进入所述高温换热器(2)中，进一步吸收相变材料的潜热变为高温高压的过热蒸汽；然后，过热蒸汽经管路(101)进入所述压缩/膨胀机(1)做功，往外界输出电能，膨胀后的低温低压蒸汽经管路(107)进入所述蒸发/冷凝器(5)中，并被冷却水冷凝为饱和液体，最后经管路(106)及管路(116)返回所述工质泵；运行过程中，所述第3调节阀(23)关闭，管路(105)与管路(104)处于断开状态；显热释放过程中，关闭管路(110)上的第1
调节阀(21)，打开管路(114)上的第2调节阀(22)，调节所述第iii三通换向阀(13)，使管路(113)断开；空气被所述空气压缩机(8)压缩后，高压空气经管路(112)与管路(111)进入所述高温储罐(6)，驱动高温储热介质进入所述低温换热器(3)中放热，放热后的低温储热介质储存在所述低温储罐(7)中，且所述低温储罐(7)中的气体超过设定压力后经管路(114)排入环境；打开第5调节阀(25)，使低温余热经旁通管路(123)排走；调节所述第ii三通换向阀(12)，使管路(117)断开，调节所述第i三通换向阀(11)，使管路(120)断开，冷却水经管路(121)与管路(119)后，流经所述蒸发/冷凝器(5)，再通过管路(118)与管路(122)排走；(c)停机运行模式：当电网负荷与用户用电负荷匹配或设备检修时，可逆热泵/orc的集热式储电系统处于停机状态，此时打开第5调节阀(25)，使低温余热经旁通管路(122)直接排走，整个储电系统不消耗电网电能，也不向外界输出电能。

技术总结
本发明公开一种可逆热泵/ORC的集热式储电系统及运行方法，该系统由热泵循环模块、有机朗肯循环(ORC)模块、储能模块与热集成及冷却模块组成，低温换热器(3)、高温换热器(2)、压缩/膨胀机(1)、蒸发/冷凝器(5)在热泵循环与有机朗肯循环中重复利用。用电低谷时，热泵循环利用低价电能将从低温余热中吸收的热量转变为高温热能，并以显热与潜热形式存储在储热装置中；用电高峰时，通过有机朗肯循环将储热装置中的显热与潜热转换为电能。本发明的可逆热泵/ORC的集热式储电系统，可以降低系统成本并提升单位容积储能密度，系统通过热集成方式与显热-潜热组合储能方式，能有效提升系统往返效率及热力性能。效率及热力性能。效率及热力性能。


技术研发人员：王志奇 李新 张思风 夏小霞 左青松 赵亚斌 张晓月
受保护的技术使用者：湘潭大学
技术研发日：2023.03.17
技术公布日：2023/6/26